Доказательство генетической роли ДНК.

Оглавление

 

1. Доказательство генетической роли ДНК

2. Химическое строение нуклеиновых кислот

3. ДНК

3.1. Строение ДНК

3.2. Уровни компактизации ДНК

3.3. Репликация ДНК

3.4. Репарация ДНК

3.5. Функции ДНК

4. РНК

5. Ген

5.1. Основные положения системной концепции гена

5.2. Плазмогены

5.3. Свойства гена

5.4. Функции гена

5.5. Строение гена про- и эукариот

5.6. Регуляция работы гена

6. Этапы экспрессии генетической информации

6.1. Транскрипция

6.2. Процессинг

6.3. Трансляция

6.3.1. Свойства генетического кода

6.3.2. Активация аминокислот

6.3.3. Этапы трансляции

6.4. Процессинг белка

Краткие биографические сведения

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ.

Мы вошли в клетку, нашу колыбель, и начали

составлять опись обретенного нами богатства.

Альберт Клод (1974г.)

Строение ДНК.

Схема строения ДНК была предложена в 1953г. Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком. Они избрали удачный подход, который обеспечил им успешное решение проблемы. Дж. Уотсон и Ф. Крик решили построить трехмерную модель ДНК, которая бы объясняла ее свойства и функции. За эту работу они получили Нобелевскую премию.

Основные научные факты, которые использовали в своей работе Дж. Уотсон и Ф. Крик:

1. 1950 г. – английский биофизик Морис Уилкинс и его ученица Розалинда Франклин на рентгенограмме кристаллических волокон ДНК (рис.9) получили четкое подтверждение двойной спирали (крестообразный рисунок).

Нуклеотиды соединяются с помощью

фосфодиэфирной связи (5'→3').

(М. Сингер, П. Берг, 1998, с. 40)

Рис. 9. Рентгенограмма кристаллических волокон ДНК. («От молекул до человека», 1973, с. 91)

 

Кроме того, эти данные показали:

a) Спираль имеет диметр 2 нм;

b) Постоянный диаметр спирали предпологал, что в каждой цепи азотистые основания направлены внутрь спирали;

 

2. 1950 г. – английская группа А. Тоддa установила точную структуру связи между нуклеотидами в полинуклеотидной цепи – фосфодиэфирную связь (рис.8)

3. 1950-51 гг. – Э. Чаргафф проанализировал количественный состав ДНК и сформулировал несколько правил:

a) Состав ДНК различных клеток, составляющий ткани и органы одного организма, всегда одинаков.

b) Состав ДНК клеток организма с возрастом не изменяется.

c) Состав ДНК клеток разных видов различен.

d) Количество аденина равно количеству тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина.

e) Сумма пуриновых оснований равна сумме пиримидиновых: А+Г = Ц+Т.

Эти закономерности, свидетельствовали о каких – то строгих принципах построения ДНК.

4. Кислотно-щелочное титрование ДНК показало, что ее структура стабилизируется водородными связями.

Проанализировав огромное количество научных фактов Дж. Уотсон и Ф. Крик предложили модель строения ДНК. Они показали, что ДНК образована двумя вправозакрученными полинуклеотидными цепями. (рис. 10)

 

Рис. 10. Схема двойной спирали ДНК.	Рис. 11. Строение молекулы ДНК.

 

Различают три уровня организации ДНК.

Первичная структура – одиночная полинуклеотидная цепь (рис.8).

Вторичная структура – двойная вправозакрученная спираль, т.е. две полинуклеотидные цепи закручены вправо вокруг общей воображаемой оси (тип винтовой лестницы) (рис. 10, 11). В основе построения вторичной структуры ДНК лежат два принципа:

1. Принцип комплементарности (комплемент – взаимодополнение).

Азотистому основанию одной цепи строго соответствует определенное азотистое основание другой цепи: А-Т, Г-Ц.

Принцип комплементарности позволяет:

а) заполнить максимально водородные связи, которые, располагаясь на всем протяжении молекулы ДНК с одной стороны, придают ей большую устойчивость, с другой стороны – гибкость. Между А и Т образуются две водородные связи, между Г и Ц – три (рис.11).

б) сохранить по всей длине молекулы ДНК одинаковое расстояние между цепями (1,1 нм), что стабилизирует в целом молекулу ДНК, т.е. придает ей устойчивость. (Два пурина занимали бы слишком много места, а два пиримидина слишком мало, чтобы заполнить промежуток между двумя цепями)

в) дублировать наследственную информацию, что повышает стабильность ее хранения, т.к. информация записана на двух цепях одновременно.

Физико-химической основой комплементарности являются следующие факторы:

1. Пространственная конфигурация азотистых оснований: форма А соответствует форме Т, а Г – Ц.

2. Водородные связи

3. «Стекинг» взаимодействия. Вдоль спирали основания уложены стопками друг на друга и стабилизация спиральной структуры дополнительно обеспечивается межплоскостными взаимодействиями между ароматическими кольцами соседних оснований. Эти специфические контакты получили название стекинг – взаимодействия. Стекинг – взаимодействия возникают в результате Ван-дер-Ваальсовых сил и гидрофобных взаимодействий между соседними азотистыми основаниями уложенными друг над другом.

2. Принцип антипараллельности – обеспечивает компактизацию молекулы ДНК, свободное пространство одной цепи заполняется молекулярными структурами другой цепи (рис.10,11).

Полинуклеотидные цепи антипараллельны друг другу, т.е. направление цепей:

5' → 3'

3' ← 5'

Таким образом, молекула ДНК имеет следующие особенности:

1.число полинуклеотидных цепей равно 2

2.цепи образуют спирали по 10 пар нуклеотидов в каждом витке

3.двойные цепи закручены каждая вправо вокруг другой и вместе вокруг общей оси

4.сахарофосфатный остов снаружи, внутри под прямым углом расположены основания с интервалом 0,34 нм

5.цепи удерживаются вместе водородными связями между основаниями и стекинг - взаимодействиями

6.полинуклеотидные цепи комплементарны друг другу

7.диаметр спирали 2 нм

8.в структуре ДНК заложена возможность так называемой конвариантной репликации. Этим термином советский генетик Н.В. Тимофеев – Ресовский назвал способность живых организмов воспроизводить себе подобных.

Следует добавить, что Дж. Уотсон и Ф. Крик описали одну из возможных форм существования ДНК – В-форму. Позже были открыты альтернативные двуспиральные структуры ДНК, что свидетельствует о полиморфизме ДНК (А,В,Z,С,Д,Е – формы). Формы различаются количеством нуклеотидных пар в витке, углом наклона плоскости азотистых основании к оси и т.д.(рис.12).

Эти формы ДНК обнаружены при определенных условиях: влажности, разных последовательностях нуклеотидов в цепи, присутствии ионов и т. д.

Третичная структура ДНК характеризуется спирализацией и супер(сверх)спирализацией. (рис.20).

 

 

Уровни компактизации ДНК.

Длина ДНК диплоидного набора хромосом человека составляет примерно 174 см., средняя длина ДНК одной хромосомы – 5 см. В ядре длина одной хромосомы составляет 0,5 – 1 микрон. Такая упаковка двойной спирали ДНК объясняется ее дальнейшей последовательной компактизацией.

 

 

Рис. 12. A-, B-, C- и D-формы ДНК

(А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова, 2005, с. 90)

 

1. Нуклеосомный уровень. Нуклеосома - это ДНК - гистоновый комплекс, который выглядит как частица дисковидной формы диаметром 11 нм. Впервые нуклеосомы были описаны в 1974г. А. Олинс и Д. Олинс. Каждая нуклеосома состоит из белкового кора или октамера и 2 оборотов фрагмента двухцепочечной ДНК (рис.13).

Рис. 13. Модель нуклеосомного кора. Сегмент ДНК (146 пар оснований), обвивает белковый кор, делая вокруг него примерно 2 оборота (1¾). (С. Б. Бокуть и др., 2005, с. 52)

Белковый кор (сердцевина) содержит набор из 4 пар гистоновых белковН2А, Н2В, Н3, Н4. Это самые консервативные белки в любом геноме. Они практически одинаковы у гороха и у человека.

Нуклеосомы связываются участками ДНК (линкерная ДНК) свободными от контакта с белковым кором.

Укладка линкерного участка ДНК (60-80 п.н.) и соединение нуклеосом друг с другом идут с помощью гистона Н1. Молекула этого белка имеет центральную (глобулярную) часть и вытянутые «плечи». Центральная часть прикрепляется к специфическому участку на поверхности кора, вытянутые «плечи» соединяют соседние нуклеосомы. При этом ДНК наматывается на соседние коры ка­ждый paз в противоположном направлении (рис. 14).

Выделить нуклеосомы можно непродолжительной обработкой хромосом ферментами дезоксирибонуклеазами. При этом расщепляются участки состыковки нуклеосом. В геноме человека содержатся 1,5 х 10⁷ нуклеосом.

Нуклеосомный уровень повышает плотность упаковки ДНК в 7-10 раз. (Рис. 14, 20)

Рис.14. Модель нуклеосомной фибриллы.

2. Нуклеомерный уровень. Дальнейшая компактизация ДНК в составе хроматина свя­зана с образованием нуклеосомных комплексов (рис. 15, 20).Образуется компактная хроматиновая фибрилла построенная либо по типу соленоида (спиральный тип укладки), либо по нуклеомерному типу (4-12 нуклеосом образуют глобулу).

 

Нуклеомерная укладка хроматина способствует укорочению нити ДНК примерно в 6 раз, а оба уровня приводят к компактизации ДНК в среднем в 50 раз (42-60).

3. Хромомерный уровень.

Следующий этап компактизации ДНК связан с образованием петлеобразных структур, которые называются хромомерами (рис.16). При этом возможны два пути упаковки ДНК с помощью негистоновых белков:

 

 

 

Рис. 16. Хромомерный тип укладки хромосом.

 

Нить нуклеосом разбита на участки по 20 - 80 тысяч пар азотистых оснований (в среднем – 50 тысяч). В местах разбивки находятся молекулы – глобулы - негистоновых хромосомных белков. ДНК - связывающие белки узнают глобулы негистоновых белков и сближают их. Образуется устье петли. Средняя длина петли (300-400 нм) сходна у различных организмов (дрозофила и человек) и включает примерно 50 тысяч оснований. Такую петельную структуру называют интерфазной хромонемой.

Хроматин типа «ламповых щеток» - это интерфазный эухроматин (рис.17.). Считают, что петли имеют связи с белками хромосомного каркаса, ядерного матрикса и белками ламины.

 

Рис. 17. Фрагменты хромосом типа «ламповых щеток» из ядра ооцита тритона.

Можно видеть участки ДНК, образующие петли от центральной оси. (С. Гильберт, 1993, т. 2, с. 186)

 

Укорочение фибриллы на этом уровне происходит в среднем 25 раз, а на всех 3 уровнях в 1000-1500 раз.

 

4. Хромонемный уровень. При делении клеток идет дальнейшая компактизация хро­мосом - образование более крупных петель из хромомерной фибриллы. На поверхности упакованные молекулы ДНК несут множество белков, которые образуют подобие чехла. Ес­ли удалить этот чехол, то под электронным микроскопом можно отчетливо увидеть, что каждая хроматида построена из хроматиновых петель, отходящих от центральной оси. Диа­метр такой упаковки 700 нм (рис. 18).

 

 

 

Рис.18. Хромонемный тип укладки хромосом.

 

5. Хромосомный уровень. Даль­нейшая компактизация хромосом обеспечивается петельной укладкой хромонемной нити (рис.19.), что сокращает их длину примерно в 10 раз.

 

Рис.19. Хромосомный тип укладки.

На этом этапе происходит объединение петель имеющих одинаковую организацию, образуются блоки или минидиски. В образовании одного минидиска участвуют примерно около 20 петель. Таким образом, за счет нескольких уровней компактизации длина ДНК сокращается примерно в 10000 раз. К онденсация хромосом из деконденсированного состояния - это не спирализация, а очень сложный комплекс компактизации, связанный не только с изменением их линей­ных размеров, но и с регуляцией их работы в процессе жизне­деятельности клетки. (Рис. 20)

Кроме того, компактизация хромосомы - важнейший процесс, связанный с точной передачей наследственной ин­формации очередному поколению.

 

Свойства ДНК.

Свойства ДНК определяются ее строением:

1. Универсальность - принципы построения ДНК для всех организмов одинаковы.

2. Специфичность - определяется соотношением азотистых оснований: А + Т,

Г + Ц

которое специфично для каждого вида. Так у человека оно составляет 1,35, у бактерий – 0,39

Специфичность зависит от:

· количества нуклеотидов

· вида нуклеотидов

· расположение нуклеотидов в цепи ДНК

 

2. Репликация или самоудвоение ДНК: ДНК↔ДНК. Генетическая программа клеточных организмов записана в нуклеотидной последовательности ДНК. Для сохранения уникальных свойств организма необходимо точное воспроизведение этой последовательности в каждом последующем поколении. Во время деления клетки содержание ДНК должно удвоиться, чтобы каждая дочерняя клетка могла получить полный спектр ДНК, т.е. в любой делящейся соматической клетке человека должно быть скопировано 6,4*10⁹ нуклеотидных пар. Процесс удвоения ДНК получил название репликации. Репликация относится к реакциям матричного синтеза. Во время репликации каждая из двух цепей ДНК служит матрицей для образования комплементарной (дочерней) цепи. Протекает она в S-период интерфазы клеточного цикла. Высокая надежность процесса репликации гарантирует практически безошибочную передачу генетической информации в ряду поколений. Пусковым сигналом для начала синтеза ДНК в S-периоде является так называемый S – фактор (специфические белки). Зная скорость репликации и длину хромосомы эукариот можно рассчитать время репликации, которое теоретически составляет несколько суток, а практически репликация осуществляется за 6 – 12 часов. Из этого следует, что репликация у эукариот одновременно начинается в нескольких местах на одной молекуле ДНК.

Единицей репликации является репликон. Репликон – это участок ДНК, где происходит репликация. Количество репликонов на одну интерфазную хромосому у эукариот может достигать 100 и более. В клетке млекопитающих может быть 20 – 30 тыс. репликонов, у человека – примерно 50 тыс. При фиксированной скорости роста цепи (у эукариот – 100 нуклеотидов в секунду) множественная инициация обеспечивает большую скорость процесса и снижение времени, необходимого для дупликации протяженных участков хромосом, т.е. у эукариот осуществляется полирепликонная репликация. (рис. 21)

Репликон содержит все необходимые гены и регуляторные последовательности, которые обеспечивают репликацию. Каждый репликон в процессе клеточного деления активируется один раз. Репликация контролируется на стадии инициации. Если процесс удвоения начался он будет продолжаться до тех пор, пока весь репликон не будет удвоен.

У прокариот вся ДНК является одним репликоном.

 

Рис.21. Репликация хромосомной ДНК эукариот. Репликация идет в двух направлениях из разных точек начала репликации (Ori) с образованием пузырьков. «Пузырь» или «глаз» это область реплицированной ДНК внутри нереплицированной. (А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова, 2005, с. 213)

 

Ферменты, участвующие в процессе репликации, объединены в мультиферментативный комплекс. В репликации ДНК у прокариот участвует 15 ферментов, а у эукариот – более 30, т.е. репликация – это архисложный и суперточный многоступенчатый ферментативный процесс. В состав ферментативных комплексов входят следующие ферменты:

1) ДНК – полимеразы (I, III), катализируют комплементарное копирование, т.е. отвечают за рост дочерней цепи. (рис. 22) Прокариоты реплицируются со скоростью 1000 нуклеоти­дов в секунду, а эукариоты - 100 нуклеотидов в секунду. По­ниженная скорость синтеза у эукариот связана с затрудненной диссоциа­цией гистоновых белков, которые необходимо удалить для продвижения ДНК-полимеразы в репликативной вилке вдоль цепи ДНК.

2) ДНК - праймаза. ДНК – полимеразы могут удлинять полинуклеотидную цепь присоединяясь к уже имеющимся нуклеотидам. Поэтому, чтобы ДНК – полимераза смогла начать синтез ДНК, ей необходима затравка или праймер (от. англ. primer – затравка). ДНК – праймаза синтезирует такую затравку, которая затем замещается сегментами ДНК. (рис. 22).

3) ДНК – лигаза, соединяет фрагменты Оказаки друг с другом за счет образования фосфодиэфирной связи.

4) ДНК – хеликаза, расплетает спираль ДНК, разрывает водородные связи между ними. В результате образуются две одиночные разнонаправленные ветви ДНК (рис.22).

5) SSB – белки, связываются с одноцепочечной ДНК и стабилизируют её, т.е. они создают условия для комплементарного спаривания.

Репликация ДНК начинается не в любой случайной точке молекулы, а в специфических местах, называемых областью (точками) начала репликации (Ori). Они имеют определенные последовательности нуклеотидов, что облегчает разделение цепей (рис.21). В результате инициации репликации в точке Ori образуются одна или две репликативные вилки – места разделения материнских цепей ДНК. Процесс копирования продолжается до тех пор, пока ДНК полностью не удвоится или пока репликативные вилки двух соседних точек начала репликации не сольются. Точки начала репликации у эукариот разбросаны по хромосоме на расстоянии равном 20 000 пар нуклеотидов (рис.21).

 

Рис.22. Репликация ДНК (объяснение в тексте). (Б. Альбертс и др., 1994, т. 2, с. 82)

Фермент – хеликаза – разрывает водородные связи, т.е. расплетает двойную цепь, образуя две разнонаправленные ветви ДНК (рис.22). Одноцепочечные участки связываются специальными SSВ-белками, которые выстраиваются снаружи каждой материнской цепи и оттягивают их друг от друга. Это делает азотистые основания доступными для связывания с комплементарными нуклеотидами. В месте схождения этих ветвей по направлению репликации ДНК располагается фермент ДНК-полимераза, который катализирует процесс и кон­тролирует точность комплементарного синтеза. Особенностью работы данного фермента является его однонаправленность, т.е. построение дочерней цепи ДНК идет по направ­лению от 5' конца к 3'. На одной материнской цепи синтез дочерней ДНК идет непрерывно (лидирующая цепь). Она растет от 5' к 3' концу в направлении движения репликативной вилки и поэтому нуждается только в одном акте инициации. На другой материнской цепи синтез дочерней цепи идет в виде коротких фрагментов с обычной 5' - 3' полярностью и при помощи ферментов – лигаз происходит их сшивание в одну неперывную отстающую цепь. Поэтому для синтеза отстающей цепи требуется несколько актов (точек) инициации.

Такой способ синтеза назван прерывистой репликацией. Фрагментные участки, син­тезированные на отстающей цепи, в честь первооткрывателя названы фрагментами Оказаки. Они обнаружены у всех реп­лицирующихся ДНК, как у прокариот, так и у эукариот. Их длина соответствует 1000 – 2000 нуклеотидам у прокариот и 100 – 200 у эукариот. Таким образом, в результате репликации образуются 2 идентичные молекулы ДНК, в которых одна цепь материнская, другая вновь синтезированная. Такой способ репликации называют полуконсервативным. Предположение о таком способе репликации было сделано Дж. Уотсоном и Ф. Криком, а доказано в 1958г. М. Мезелсоном и Ф. Сталем. После репликации хроматин представляет собой систему из 2 декомпактизированных молекул ДНК, объединенных цен­тромерой.

В процессе репликации могут возникать ошибки, которые у прокариот и эукариот бывают с одной и той же час­тотой - одна на 10⁸ -10¹⁰ нуклеотидов, т.е. в среднем 3 ошибки на геном. Это доказательство высокой точности и скоординированности процессов репликации.

Ошибки репликации исправляются ДНК-полимеразой III («механизм корректорской правки») или системой репараций.

2. Репарация - это свойство ДНК восстанавливать свою цело­стность, т.е. исправлять повреждения. Передача наследственной информации в неискаженном виде важнейшее условие выживания как отдельного организма, так и вида в целом. Большинство изменений вредны для клетки, они либо приводят к мутациям, либо блокируют репликацию ДНК, либо вызывают гибель клетки. ДНК постоянно подвергается действию спонтанных (ошибки репликации, нарушение структуры нуклеотида и т.д.) и индуцированных (УФ – облучение, ионизирующая радиация, химические и биологические мутагены) факторов среды. В ходе эволюции выработалась система позволяющая исправлять нарушения в ДНК – система репарации ДНК. В результате её активности на 1000 повреждений ДНК только одно приводит к мутациям. Повреждение - любое изменение ДНК, которое вызывает отклонение от обычной двуцепочечной структуры:

1) появление одноцепочечных разрывов;

2) удаление одного из оснований, в результате чего его го­молог остается неспаренным;

3) замещение одного основания в комплементарной паре другим, неправильно спа­ренным с основанием-партнером;

4) появление ковалентных связей между основаниями од­ной цепи ДНК или между основаниями на противоположных цепях.

Репарация может проходить до удвоения ДНК (дорепликативная репарация) и после удвоения ДНК (пострепликативная). В зависимости от характера мутагенов и степени повреждения ДНК в клетке идет световая (фотореактивация), темновая, SOS-репарация и др.

Считают, что фотореактивация идет в клетке, если повреж­дения ДНК вызваны естественными условиями (физиологические особенности организма, обычные факторы среды, в том числе - ультрафиолетовые лучи). Восстановление целостности ДНК при этом, происходит с участием видимого света: репаративный фермент активируется квантами видимо­го света, соединяется с поврежденной ДНК, разъединяет пиримидиновые димеры нарушенного участка и восстанавливает целостность нити ДНК.

Темновая репарация (эксцизионная) наблюдается после действия ионизи­рующей радиации, химических веществ и т.д. Она включает удаление поврежденного участка, восстановление нормальной структуры молекулы ДНК (рис.23). Для этого типа репарации необходима вторая комплементарная цепь ДНК. Темновая репарация многосту­пенчата, в ней участвует комплекс ферментов, а именно:

1)фермент, узнающий поврежденный участок цепи ДНК

2)ДНК – эндонуклеаза, делает разрыв в поврежденной цепи ДНК

3) экзонуклеаза удаляет измененную часть нити ДНК

4) ДНК – полимераза I синтезирует новый участок ДНК взамен удаленного

5)ДНК- лигаза сшивает конец старой нити ДНК с вновь синтезированной, т.е. замыкает два конца ДНК (рис.23). В темновой репарации у человека принимают участие 25 белков-ферментов.

При больших повреждениях ДНК, которые угрожают жизни клеток, включается SOS-репарация. SOS-репарация была открыта в 1974 году. Такой тип репарации отмечают после действия больших доз ионизирующей радиации. Ха­рактерная черта SOS-репарации - неточность восстановления первичной структуры ДНК, в связи с чем она получила назва­ние репарации, склонной к ошибкам. Главная цель SOS-репарации сохранить жизнеспособность клетки.

Нарушение в системе репарации могут приводить к преждевременному старению, развитию онкологических заболеваний, болезням аутоиммунной системы, гибели клетки или организма.

Рис. 23. Репарация поврежденной ДНК путем замены модифицированных нуклеотидных остатков (темновая репарация или эксцизионная). (М. Сингер, П. Берг, 1998, т. 1, с.100)

Функции ДНК

Строение и свойства ДНК определяют ее основные функ­ции:

1. Хранение генетической информации. ДНК находится в ядре и исключена из активных обменных процессов.

2. Передача генетической информации потомству происхо­дит в процессе митоза и мейоза на основе репликации ДНК.

3. Запись генетической информации. Генетическая информация записана в виде ГЕНЕТИЧЕСКОГО или биохимического кода.

4. Контроль за обменом веществ в клетке

ГЕН

ПЛАЗМОГЕНЫ

Плазмогены – внеядерный генетический материал: гены хромосом пластид, митохондрий, клеточного центра, вирусов, плазмид (внехромосомные генетические элементы).

Их особенности:

– Количество непостоянно

– Передаются только по женской линии

– Неравномерно распределяются между дочерними клетками

Плазмогены сходны по своим свойствам с ядерными генами, способны к репликации и мутациям.

Их биологическое значение:

1) Осуществляют генетический контроль за синтезом ряда ферментов цитоплазмы.

2) Взаимодействуют с хромосомами ядра, т.к. часть информации митохондрий содержится в ядре.

СВОЙСТВА ГЕНА:

1. Дискретность (прерывистость) действия – развитие различных признаков контролируется разными генами, локализация которых не совпадает.

2. Стабильность – (постоянство) – ген передается в ряду поколений в неизменном виде, что определяет постоянство тех или иных признаков.

3. Действие гена специфично – каждый ген обуславливает развитие определенного признака или группы признаков.

4. Способность к мутациям – это составляет основу эволюции.

5. Действие гена дозировано, т.е. ген обеспечивает развитие соответствующего признака до известного количественного предела. В хромосоме каждый ген находится в определенном состоянии, которое называют аллелью. Аллельные гены отвечают за развитие одного признака. В каждой соматической клетке ген представлен 2 аллелями. Аллельные гены располагаются в гомологичных хромосомах в строго определенном месте на хромосоме – локусе. Аллели одного гена возникают путем мутаций.

Большинство наследственных заболеваний связано с нарушением дозированности гена. Например, синдром Шерешевского – Тернера обусловлен утратой (потерей) клетками организма одной Х – хромосомы, т.е. «доза» генов уменьшается до одной. При болезни Дауна, наоборот, наблюдается увеличение до 3 «доз» генов 21 хромосомы. Соотношением количества доминантных и рецессивных аллелей определяется цвет кожи человека, рост и другие признаки.

Определенная «дозировка» генов в онтогенезе необходима для нормального развития эмбриона. Поэтому потеря хотя бы одной аутосомы приводит к нежизнеспособности плода или раннему спонтанному абортированию.

 

ФУНКЦИИ ГЕНА:

1) Хранение наследственной информации

2) Передача наследственной информации в поколения

3) Управление биосинтезом белков и других соединений в клетке

4) Восстановление поврежденных генов (репарация ДНК)

5) Обеспечение наследственной изменчивости клеток и организма

6) Контроль за индивидуальным развитием клеток и организма

7) Рекомбинация (процесс перегруппировки генов)

Регуляция работы гена

Гены функционируют в клетке не сами по себе, а входят в состав более сложной генной регуляторной системы. Количество структурных генов в разных оперонах различно. Участок ДНК, на на котором проходит считывание информации, называется единицей транскрипции (Рис. 27, 28). Он ограничен промотором (зона начала транскрипции) и терминатором (зона остановки транскрипции).

1. Промотор – это строго определенная нуклеотидная последовательность, которая узнается ферментом транскрипции – РНК – полимеразой.

У E. coli промотор – это пара нуклеотидных последовательностей из 6-7 и 9 нуклеотидов каждая, отдельных друг от друга 25 нуклеотидами.

Промотор выполняет следующие функции:

а) это место присоединения РНК – полимеразы к молекуле ДНК

б) последовательность оснований в промоторе определяет какая из цепей ДНК будет «смысловой», т.е. с какой цепи ДНК будет идти считывание информации (РНК – полимераза всегда двигается по цепи ДНК от 3' к 5' концу).

У про- и эукариот последовательности промоторов разные. Это учитывается в генной инженерии, в случае встраивания в геном бактерии генов человека.

Промоторы эукариот разнообразны по числу и строению элементов. Промотор эукариотического гена – это участок ДНК, на котором собираются белки транскрипции, узнающие свои сайты связывания и взаимодействующие друг с другом и с иРНК – полимеразой. В составе эукариотического гена имеются особые цис-действующие элементы регуляции - усилители или активаторы, глушители или угнетатели транскрипции. Они разнообразны по строению, положению и функциям. Они могут располагаться как на 5' - так и на 3 '- конце фрагмента ДНК, включающего ген, так и в составе интронов.

2. Оператор – это нетранскрибирумая последовательность нуклеотидов, участок связывания белка - репрессора. Он располагается в непосредственной близости к промотору или перекрывается с ним. У многих оперонов имеется не один, а несколько сайтов связывания с регуляторными белками, которые не обязательно располагаются рядом, а могут находиться по разные стороны от промотора. Поэтому сейчас принято говорить о сайтах связывания регуляторов. Связывание белка – репрессора с оператором либо создает стерические (пространственные) затруднения для связывания РНК-полимеразы с промотором, либо препятствует продвижению ее по смысловой цепи ДНК, и определяет точку начала транскрипции. Следует отметить, что ни промотор, ни оператор в РНК не транскрибируются и зоны промотора и оператора могут перекрываться.

3. Терминатор – участок молекулы ДНК, где заканчивается процесс транскрипции.

Оператор и структурные гены образуют оперон. Именно так назвали эту структуру французские ученые Франсуа Жакоб и Жак Моно, которые первыми в 1959 -1961г. работая с бактериальными клетками предложили механизм регуляции работы гена или генной экспрессии. За эту работу в 1965г. они получили Нобелевскую премию. Как выяснили Жакоб и Моно работой оперона управляют гены – регуляторы. Они не входят в состав оперона, но являются необходимой частью регуляторной системы. Гены – регуляторы у прокариот находятся на той же хромосоме, что и оперон. У эукариот они могут располагаться далеко от промотора эукариотического гена и оказывать дистанционное влияние на его транскрипцию. Гены - регуляторы контролируют синтез белка – репрессора связывающегося с оператором. Синтез белков – репрессоров, как и всех белков, идет на рибосомах в цитоплазме. Транскрипция определяется белком-репрессором, который может закрывать оператор (репрессор акти­вен) или открывать его (репрессор неактивен), т.е. возможны два варианта регуляции активности генов.

I. Ген – регулятор отвечает за синтез активного белка – репрессора. Белок – репрессор имеет два активных центра:

1. центр связывания с оператором

2. центр связывания с субстратом. Под субстратом (индуктором) понимают любое вещество, информация о синтезе или распаде которого закодирована в данном опероне или гене. Это могут быть гормоны, аминокислоты, углеводы, питательные вещества, яды и т.д.

Субстрата в клетке нет, поэтому активная форма белка – репрессора соединяется с оператором, т.е. оператор закрыт и через него не может пройти фермент РНК – полимераза, транскрипция не идет (рис.30). Открытие оператора идет с помощью субстрата (индуктора), поступаю­щего в клетку. Индуктор взаимодействует с белком – репрессором, что приводит к изменению его конформации (пространственной структуры). У инактивированного белка репрессора резко снижается родство к зоне оператора и он отсоединяется от него. Оператор свободен и это позволяет РНК-полимеразе начать транскрипцию. Она продолжается до тех пор, пока в клетке есть субстрат, т.е. пока есть необходимость в продуктах данного оперона или гена (рис.31).

При сокращении количества субстрата его уже не хватает на молекулы белка – репрессора и активный белок – репрессор присоединяется к оператору. Транскрипция прекращается. Следует отметить, что в клетке белок реперссор синтезируется постоянно и его количество строго определенное. Например, в клетке E. сoli находится около 10 молекул белка-репрессора, который регулирует работу лактозного оперона.

II. Ген – регулятор отвечает за синтез неактивной формы белка – репрессора, т.е. он не может присоединится к оператору. Оператор свободен иРНК – полимераза свободно проходит к структурным генам. Оперон будет работать до тех пор, пока есть необходимость в продуктах данного оперона.

Когда данный продукт клетке уже не нужен (он не расходуется в биохимических процессах и накапливается в клетке), субстрат взаимодействует с неактивным белком – репрессором, активирует его. Белок-репрессор закрывает оператор и выключает транскрипцию.

Такой способ регуляции метаболизма в клетке чрезвычайно экономичен, т.к. клетка синтезирует продукт в таком количестве, которое необходимо для поддержания определенного уровня обменных процессов. При избытке конечного продукта данный метаболический путь выключается. То есть, мы видим взаимодействие между внутриклеточной средой и генетическим аппаратом для обеспечения тонкой регуляции клеточного метаболизма.

У эукариот регуляция белкового синтеза еще сложнее и осуществляется на многих этапах от ДНК к белку. Но рассмотренные механизмы регуляции работы генов имеют место и у эукариот. Ж. Моно сказал: «Что хорошо и правильно для бактерий с генетической точки зрения, то правильно и для слона»

Например, образование некоторых ферментов индуцируется присутствием их субстрата:

1. наличие в крови алкоголя индуцирует в клетках печени усиленный синтез фермента, разрушающего алкоголь – алкогольдегидрогеназы.

2. действие половых гормонов при формировании вторичных половых признаков также основано на усилении транскрипции определенных генов.

3. по такому типу работают гены железистых клеток, вырабатывающие секреты для жизнедеятельности организма.

Если у бактерии на включение гена в работу требуется несколько минут, то у эукариот от нескольких часов до нескольких дней.

Включение и работа генов и оперонов зависят от ряда факторов:

1. Специализации клетки

2. Физиологического состояния

3. Возраста клетки

4. Условий внешней среды

5. Пространственной структуры ДНК (изгибы, петли, сверхспирали и т.д.)

6. Степени метилирования генов.